寫稿
投稿
1. 引言
氫能可儲可輸，即是氫能的優(yōu)勢所在，又是氫能應用的主要瓶頸。固態(tài)儲氫可為氫能的高密度、高安全儲存提供重要的解決方案。一是固態(tài)儲氫的體積儲氫密度高，在現(xiàn)有的高壓氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)等儲氫方式中，固態(tài)儲氫具有最高的體積儲氫密度。以MgH2儲氫為例，其體積儲氫密度可達106 kg·m–3，為標準狀態(tài)下氫氣密度的1191倍，70 MPa高壓儲氫的2.7倍，液氫的1.5倍。二是固態(tài)儲氫安全性好，可在常溫常壓下儲氫，儲罐易密封，在突發(fā)事件下即使發(fā)生氫氣泄漏，儲罐也可自控式地降低氫氣泄漏速度和泄漏量，為采取安全措施贏得寶貴時間。
但是當前氫能儲運的主流技術仍是高壓氣態(tài)壓縮技術，固態(tài)儲氫仍只在一些特定場合中得到小規(guī)模應用，究其原因在于：①固態(tài)儲氫的綜合性能還不能完全滿足車載儲氫技術的要求。成熟體系的儲氫材料（包括稀土系、Ti系和TiV固溶體材料）重量儲氫率偏低，其中可逆儲氫容量最高的TiV固溶體材料也只有 2.6 wt%。一些高容量的輕質儲氫材料，如配位氫化物、金屬氨基氫化物、金屬氨硼烷等尚在開發(fā)當中，這些材料雖具有較高的重量儲氫率（如氨硼烷重量儲氫率可達19.6 wt%），但仍存在著吸放氫溫度高、吸放氫速度慢、吸放氫循環(huán)性能差等問題。②成本偏高，由于固態(tài)儲氫多處于示范應用階段，儲氫材料多處于實驗室或中試階段，制造批量小，成品率偏低，承壓容器加工成本高，閥門管道等配件價格高，導致固態(tài)儲氫系統(tǒng)的成本偏高。
為加快固態(tài)儲氫在氫能市場的應用，應充分發(fā)揮固態(tài)儲氫高密度高安全的本征優(yōu)勢，提高市場占有率，在實際應用中不斷完善技術，開發(fā)新材料，開發(fā)新技術，實現(xiàn)螺旋式上升，特提出如下建議：①加快拓展固定式儲氫應用市場，針對特定細分市場需求，采用較為成熟的固態(tài)儲氫技術，有效控制系統(tǒng)成本，滿足特定市場要求，如分布式供能系統(tǒng)等；②與高壓和液體儲氫相結合，開發(fā)復合儲氫技術，如基于鎂基儲氫材料的復合氫漿、靜態(tài)壓縮高密度儲氫一體化裝置等，滿足運氫和加氫站需求；③面向綠氫供應鏈，簡化供氫流程，降低供氫成本，開發(fā)高容量車載儲氫系統(tǒng)。
2. 加快成熟技術在固定式儲氫領域的推廣應用
雖然成熟的金屬儲氫材料重量儲氫率偏低，但體積儲氫密度高，占地面積小，儲存壓力低，安全性好，因而非常適合于固定式應用，關鍵在于找準細分市場，有效控制成本，提高技術經(jīng)濟競爭力。
2012年我們就已開發(fā)出了儲氫量達40 m3 的固態(tài)儲氫系統(tǒng)，并與5 kW燃料電池系統(tǒng)成功耦合，為通信基站連續(xù)供電近17 h。但示范之后卻未能得以推廣，究其原因主要在于當時市場需求不旺，當年4G替代3G后，其通訊基站用電量較3G顯著下降，鋰離子電池供電即可滿足應用需求，且鋰離子電池成本迅速下降，而燃料電池當時售價高達1萬元· kW–1，與鋰離子電池相比，價格明顯缺乏競爭力。近兩年隨著5G的推廣，通訊基站用電量大幅度增加，基站電源需求將發(fā)生逆轉，燃料電池大功率長時間供電優(yōu)勢凸顯；同時近兩年我國燃料電池技術發(fā)展迅速，每千瓦燃料電池售價已降至1699元，使之在基站電源市場的技術經(jīng)濟競爭力快速提升。
與之配套的固態(tài)儲氫裝置應同步發(fā)展，以全面滿足基站通訊電源的技術經(jīng)濟要求?？焖俳档蛢涑杀疽殉蔀榧涌烊剂想姵貍溆秒娫聪到y(tǒng)商業(yè)化應用的當務之急，如將固態(tài)儲氫成本控制在8000元·kg–1左右，則其儲能成本完全可與鋰離子電池相競爭。
與可再生能源規(guī)模制氫相匹配的現(xiàn)場儲氫，也應是當下固態(tài)儲氫成熟技術應用的重要場景。法國McPhy公司開發(fā)的McStore鎂基固態(tài)儲氫系統(tǒng)已用于可再生能源規(guī)模儲能中，我們也已研制出1000 m3 TiFe固態(tài)儲氫系統(tǒng)，有望應用于河北沽源風電制氫項目中，作為現(xiàn)場安全緊湊的氫氣緩存，并提供6 N高純氫源，實現(xiàn)高值化利用。能否得到市場認可，關鍵仍在于系統(tǒng)綜合成本與高壓儲氫相比是否具有競爭力。
3. 復合儲氫的新嘗試
為拓寬金屬儲氫材料的應用，將固態(tài)儲氫與高壓和液體儲氫相結合，開發(fā)復合式儲氫技術，如靜態(tài)壓縮高密度儲氫一體化裝置、基于鎂基儲氫材料的復合氫漿等，這些新技術的發(fā)展，有望開辟一片固態(tài)儲氫應用的新天地。
儲氫材料在某一恒定溫度下吸放氫時將會出現(xiàn)一吸放氫平臺，當溫度升高時，其吸放氫平臺壓力將隨之呈指數(shù)性增大，利用這一特性，可采用換熱介質，實現(xiàn)氫氣的靜態(tài)增壓，低溫時低壓儲氫，高溫時高壓加注，常溫儲存時，儲氫壓力低，儲氫密度高，安全性好，可縮小儲罐的占地面積和站內(nèi)安全間距。為提高儲罐的放氫快速響應特性，可將固態(tài)儲氫與高壓儲氫適當混合，利用高壓儲氫的快速放氫特性，提高混合儲氫系統(tǒng)的快速響應特性。根據(jù)這一原理，我們已先后開發(fā)出45 MPa 和90 MPa靜態(tài)壓縮和高密度儲氫一體化裝置。
鎂的儲氫密度高，但放氫溫度高，如將其高溫加氫和放氫環(huán)節(jié)固定于應用終端，運氫處于常溫常壓狀態(tài)，則將是一種很好的高密度、高安全性的運氫方式。為提高單車運氫量，需將鎂基儲氫材料裝在一個大罐中，以盡量減輕運氫罐體重量，而將多管束反應器固定在加氫端和應用端。這就需要鎂基儲氫材料流動起來，為實現(xiàn)流動，我們將鎂基儲氫材料與有機儲氫材料復合，形成氫漿。在此氫漿中，鎂基儲氫材料粉末和有機液體均是高密度的儲氫介質，與此同時，鎂基儲氫材料還可作為有機液體儲氫的催化劑，有機液體儲氫材料還可改善鎂基儲氫材料的傳熱傳質特性，兩者相得益彰。初步試驗已證明，氫化物對于有機液體儲放氫均具有較好的催化作用，可以取代原有的貴金屬催化劑，鎂基儲氫材料在氣固液三相界面上仍具有較好的吸放氫性能，這些結果證明了這一構想的可行性。
4. 面向綠氫供應鏈的高容量車載儲氫系統(tǒng)
綠氫是氫能應用的初衷，我們應充分利用綠氫特性，構建綠氫供應鏈，簡化供氫流程，降低供氫成本。我們可將可再生能源電解水制氫得到的4 MPa綠氫，直接通入4 MPa純氫輸氫管道，送至低壓加氫站中，無需加壓，直接充入燃料電池汽車低壓固態(tài)儲氫系統(tǒng)中。低壓加氫省掉了高壓加氫站中的高壓壓縮機和高壓儲罐，從而顯著降低了加氫站的裝備成本，提高了加氫安全性和可靠性，降低了加氫成本，而這一切均源于低壓車載儲氫系統(tǒng)的應用。
我們采用TiMn系儲氫材料進行了初步探索，合作開發(fā)的低壓儲氫燃料電池9 m公交車，在5 MPa低壓加氫條件下，15 min即可加滿氫，在滿載公交模式下百公里的耗氫量為4.77 kg，17 kg的儲氫量可滿足一次連續(xù)行駛300 km以上的要求，但與高壓儲氫相比，燃料電池客車百公里的耗氫量仍多0.2~0.3 kg，急需降低儲氫系統(tǒng)重量。開發(fā)更高容量的儲氫材料尤為迫切，我們開發(fā)的LiMgBNH材料在150 ℃、8 MPa條件下10 min可吸氫 5.3%，0.1 MPa下可放出4.1%的氫，以此材料開發(fā)的儲氫罐與35 MPa高壓儲氫系統(tǒng)重量儲氫率相近。我們的合作伙伴德國KIT Maximilian團隊采用這一材料裝罐，與高溫質子交換膜燃料電池耦合應用，滿足了燃料電池的應用要求[1]。最近，北京航空航天大學水江瀾等通過氫氟酸不完全蝕刻Mxene，開發(fā)了一種高容量的室溫儲氫材料，在室溫和60 bar（1 bar = 105 Pa）壓力的條件下，可儲存8.8 wt%的氫氣[2]。這些研究為高容量儲氫材料的應用探索出一條新路徑。
面向綠氫供應鏈的高容量車載儲氫系統(tǒng)還有較長的路要走，高溫質子交換膜燃料電池的可靠性和經(jīng)濟性尚需驗證，高容量儲氫材料性能還需繼續(xù)提高，固態(tài)儲氫系統(tǒng)的相關標準尚需完善。一旦這些問題得以解決，氫能局面將為之一變。
本文來源于engineering
往期精選回顧：
巴西航空工業(yè)公司展示了兩架創(chuàng)新氫動力概念機
